AC-20C改性沥青混合料级配正交优化试验研究

AC-20C改性沥青混合料级配正交优化试验研究
吴庆发;李强;吴庆刚
【摘要】文章针对南方湿热地区沥青路面的使用要求,采用正交优化试验方法对AC-20C沥青混合料进行配合比优化试验研究,提出了满足各沥青混合料指标要求的AC-20C沥青混合料的矿料级配和油石比范围。

%Targeting on the usage requirements of asphalt pavement in hot and humid areas of southern regions, the article used the orthogonal optimization experiment method to conduct the mixing ratio optimization experiment research of AC-
20Casphalt mixtures,a nd proposed the aggregate gradation and bitumen aggregate ratio range of AC-20Casphalt mixtures meeting all index requirements of asphalt mixtures.
【期刊名称】《西部交通科技》
【年(卷),期】2012(000)012
【总页数】5页(P13-16,20)
【关键词】沥青混合料;级配优化;正交试验;级配组成
【作者】吴庆发;李强;吴庆刚
【作者单位】广西交通投资集团玉港高速公路有限公司,广西玉林537000;长沙理工大学,湖南长沙410004 道路结构与材料交通行业重点实验室,湖南长沙410004;育才-布朗交通咨询监理有限公司,湖南长沙410004
【正文语种】中文
【中图分类】U416.03
0 前言
沥青路面的使用性能要求沥青混合料具有良好的低温抗裂性能、高温抗车辙、抗水损害性能、抗滑性能以及耐久性等路用性能，沥青混合料的设计就是寻求各种路用性能之间的平衡或优化组合的过程。

矿料级配和沥青用量是影响沥青混合料性能的两大要素。

工程应用实践表明：不是所有满足规范建议范围的沥青混合料都符合技术标准，也不是超出级配范围的都不合格。

此外，《公路沥青路面施工技术规范》［1］推荐的级配范围比较大，沥青混合料的级配可有无数种走向和变化，并会表现出不同的甚至差别很大的技术性能，如何在宽泛的级配范围内，优选出合理的级配是工程应用亟待解决的问题。

本研究采用广西玉林市茂林石场生产的石灰岩碎石和SBS（I－D）改性沥青，采用正交优化试验方法对AC－20C沥青混合料进行配合比优化试验研究。

1 优化正交试验表设计
由于影响沥青混合料配合比的主要因素是矿料级配和油石比。

根据规范［1］规定的沥青混合料AC－20C的级配范围，其通过率共有11个筛孔，假设考虑每个筛孔取上限、上中值、中值、下中值和下限等5个通过率，并取不同的通过率组合进行级配优化试验；同时，需考虑油石比的变化，如果油石比取5种情况，则需进行配合比试验共512＝244 140 625次，若每次试验击实4～6个马歇尔试件，其试验工作量无法想象［2］。

为了寻求AC－20C沥青混合料最优的级配范围和油石比，文献［2］建议抓住关键因素，采用正交试验法来减少试验次数、提高试验效率。

综合对沥青混合料路用性能的分析，AC－20C沥青混合料矿料级配的影响因素主要考虑16mm、
9.5mm、4.75mm、2.36mm和0.075mm筛孔的通过率。

对于石灰岩碎石的AC
－20C沥青混合料的油石比取值范围为3.8%～4.6%。

此外，考虑南方高温多雨的气候特点和试验要求，各因素均匀选取了5种水平（见表1）。

正交试验选取L25（56）正交试验表［3］进行各个因素和各种水平的试验组合安排（见表2）。

表1 AC－20C沥青混合料优化设计正交试验因素和水平表水平A B C D E F
16mm（78～92）9.5mm（50～72）4.75mm（26～56）2.36mm（16～44）0.075mm（3～7）油石比（%）Ⅰ 91 67 45 30 73.8Ⅱ 88 64 42 27 6 4.0Ⅲ 85 61 39 24 5 4.2Ⅳ 82 58 36 21 4 4.4Ⅴ 79 55 33 18 34.6
表2 AC－20C沥青混合料正交试验计划表试验号筛孔尺寸（mm）及通过率（%）16 9.5 4.75 2.360.075油石比（%）A B C D E F 1 91 67 45 30 73.8 2 88 64 42 27 6 3.8 3 85 61 39 24 5 3.8 4 82 58 36 21 4 3.8 5 79 55 33 18 3 3.8 6 91 64 39 21 3 4.0 7 88 61 36 18 7 4.0 8 85 58 33 30 6 4.0 9 82 55 45 27 5 4.0 10
79 67 42 24 4 4.0 11 91 61 33 27 4 4.2 12 88 58 45 24 3 4.2 13 85 55 42 21
7 4.2 14 82 67 39 18 6 4.2 15 79 64 36 30 5 4.2 16 91 58 42 18 5 4.4 17 88 55 39 30 4 4.4 18 85 67 36 27 3 4.4 19 82 64 33 24 7 4.4 20 79 61 45 21 6 4.4 21 91 55 36 24 6 4.6 22 88 67 33 21 5 4.6 23 85 64 45 18 4 4.6 24 82 61 42 30 3 4.6 25 79 58 39 27 74.6
2 沥青混合料正交试验方案与试验结果
针对表2的正交试验设计方案，将试验所需矿料配比按以下六档确定：16～
26.5mm、9.5～16mm、4.75～9.5mm、2.36～4.75mm、0.075～2.36mm、＜0.075mm。

为此，必须把原材料分别筛为上述的粒径范围，并测定各档集料的密度，通过计算得到AC－20C正交试验中各组沥青混合料的矿料配比以及合成级配。

由于添加的矿粉含约80%的0.075mm以下颗粒，参考文献［2］将0～2.36mm 的料筛出0.075mm以下的颗粒，每组试验矿粉均按2%掺配，其余0.075mm以下用量用筛出料补充。

这样就可以准确控制每个筛孔的通过率。

我国《公路沥青路面施工技术规范》［1］是采用马歇尔试验方法进行沥青混合料设计。

在本研究的沥青混合料试件的成型过程中，AC－20C沥青混合料的拌和温
度为170℃，成型温度为160℃，马歇尔试件采用双面击实75次成型。

沥青混合料理论最大相对密度采用实测法获得，马歇尔试件毛体积密度采用表干法测定。

根据表2的AC－20C沥青混合料正交试验计划，每组试验击实成型6个马歇尔试件，由此共击实150个马歇尔试件，通过试验测定试件相应的马歇尔技术指标和
毛体积密度，并计算相应的马歇尔体积指标（见表3）。

表3 AC－20C马歇尔试验指标与体积指标试验分析结果表试验号试件毛体积相对密度rf稳定度（kN）流值（0.1mm）空隙率VV（%）矿料间隙率VMA（%）沥青饱和度VFA（%）有效沥青的体积百分率Vbe（%）矿料的体积百分率Vg（%）粉胶比FB沥青膜有效厚度DA（μm）1 2.475 13.64 28.1 3.1 10.5 71.0 7.5
89.45 2.324.97 2 2.450 14.05 28.0 4.1 11.5 64.6 7.5 88.46 1.98 5.66 3 2.443 14.37 27.9 4.5 11.9 62.6 7.5 88.08 1.65 6.56 4 2.426 13.67 32.5 5.2 12.6 59.0 7.5 87.36 1.32 7.79 5 2.417 12.45 27.8 5.6 13.1 57.1 7.5 86.93 0.99 9.55 6
2.408 1
3.08 28.4 5.6 13.4 58.1 7.8 86.60 0.96 9.33 7 2.429 11.76 23.8
4.8 12.9 62.3 8.0 87.14 2.08 6.30 8 2.486 1
5.68 43.6 2.4 10.3 77.3 8.0 89.66 1.89 5.80 9 2.482 1
6.94 30.7 2.6 10.5 75.6 8.0 89.45 1.58 6.58 10 2.431 14.17 29.1 4.7 12.5 62.7
7.8 87.51 1.27 7.73 11 2.462 15.02 33.1 3.1 11.4 73.1
8.3 88.59 1.22 7.80 12 2.430 13.58 32.4 4.4 12.6 65.2 8.2 87.38 0.93
9.18 13 2.474
12.71 31.9 2.8 11.3 75.6 8.5 88.70 2.00 6.32 14 2.428 12.49 29.8 4.6 13.1 64.5 8.4 86.95 1.71 7.29 15 2.489 16.63 38.7 2.0 10.4 80.9 8.4 89.60 1.52
6.70 16 2.410 12.05 26.0 5.1 13.8 63.4 8.7 86.20 1.37 8.49 17 2.466 14.57 34.0 2.6 11.3 7
7.3
8.7 88.69 1.18 7.76 18 2.452 15.37 33.5 3.2 11.9 73.0 8.7 88.06 0.90
9.23 19 2.477 13.47 34.7 2.3 11.3 79.5 9.0 88.71 1.92 6.43 20
2.464 1
3.33 31.5 2.9 11.8 75.4 8.9 88.18 1.65 7.27 21 2.477 12.95 35.5 2.0 11.4 82.2 9.4 88.61 1.59 7.34 22 2.432 12.08 29.5 3.9 13.1 70.5 9.2 86.91 1.32 8.55 23 2.395 10.99 32.1 5.4 1
4.5 62.8 9.1 8
5.52 1.06 10.03 24 2.461 1
6.27 35.7 2.5 11.7 78.3 9.1 88.34 0.87 9.10 25 2.493 13.78 44.8 1.4 10.8 8
7.4 9.4 89.24 1.85 6.45规范要求≥8 15～40 4～6 ≥13 65～75 －－ 0.6～1.6 ≥6
3 AC－20C沥青混合料优化分析
为了确定AC－20C最优级配范围和沥青用量范围，采用正交试验的极差分析法分析马歇尔技术指标（稳定度MS和流值FL）和体积指标（空隙率VV、矿料间隙率VMA、沥青饱和度VFA）正交试验结果。

极差指的是表中各水平对应的试验指标平均值的最大值与最小值之差。

通过极差分析法，结合趋势图分析，综合确定AC －20C最优级配范围和沥青用量范围。

下面以沥青混合料空隙率（VV）指标为例说明分析过程：
各因素每种水平的沥青混合料空隙率（VV）的平均值及其极差见表4，相应的各因素不同水平的趋势图如图1所示。

公路沥青路面施工技术规范中面层AC－20C的沥青混合料空隙率（VV）应控制在4%～6%之间，满足VV要求的级配范围和油石比见表5。

表4 AC－20C正交试验沥青混合料空隙率极差分析结果表（%）水平因素16mm 9.5mm 4.75mm 2.36mm 0.075mm 油石比A B C D E FⅠ 3.8 3.9 3.7 2.5
2.94.5Ⅱ 4.0
3.9 3.8 2.9 3.2
4.0Ⅲ 3.6 3.6 3.7 3.6 3.6 3.4Ⅳ 3.5 3.7 3.5 4.1 4.2
3.2Ⅴ 3.3 3.1 3.4 5.1
4.3 3.0极差R 0.65 0.78 0.38 2.61 1.411.44
图1 AC－20C正交试验沥青混合料空隙率趋势图
表5 满足沥青混合料空隙率要求的各因素取值范围表水平 16mm 9.5mm
4.75mm 2.36mm 0.075mm 油石比A B C D E F上限 91 65 45 24 54.2下限 82
58 36 18 3 3.8最优 88 64 42 21 44.0
通过分析表4和图1可以得出：
（1）根据极差R的大小来确定各因素对沥青混合料空隙率（VV）影响的显著程度：2.36mm＞油石比＞0.075mm＞9.5mm＞16mm＞4.75mm，也就是说因素
D（2.36mm筛孔通过率）对沥青混合料空隙率的影响最为显著，其极差达到
2.61。

（2）从图1可以看出沥青混合料的空隙率随着2.36mm和0.075mm筛孔通过
率的减少而呈线性增加，随着油石比的增加而减少。

（3）因素 A（16mm 筛孔通过率）、因素 B（9.5mm筛孔通过率）、因素 C （4.75mm筛孔通过率）对空隙率的影响较小，大体上随着通过率的减少而减少。

按照沥青混合料空隙率取规范中间值（4%）作为最佳，最优组合是
A2B2C2D4E4F2，各因素取值见表5。

其它指标（稳定度、流值、矿料间隙率、沥青饱和度）按以上方法分析。

综合各技术指标分析结果可以有以下结论：
（1）2.36mm筛孔通过率是稳定度、流值、空隙率、矿料间隙率和沥青饱和度的关键影响因素。

2.36mm筛孔通过率越高，稳定度、流值和沥青饱和度越大，空
隙率和矿料间隙率越小；反之，2.36mm筛孔通过率越低，稳定度、流值和沥青
饱和度越小，空隙率和矿料间隙率越大。

油石比是流值、空隙率和沥青饱和度的重要因素。

油石比越高，空隙率越小，流值和沥青饱和度越大；反之，油石比越低，空隙率越大，流值和沥青饱和度越小。

这和文献［2］的结论类似。

（2）4.75mm筛孔通过率是几乎是稳定度、流值、空隙率、矿料间隙率和沥青饱和度的最小影响因素。

（3）不同的技术指标要求，得到的最优组合不同，且相差较大。

因此，为了获得合适的矿料级配和油石比范围，综合上述正交试验技术指标分析结果，得出满足施
工技术规范技术指标要求的所选取因素的取值范围，结合对级配曲线的分析和工程实践经验，优化得出的各筛孔通过率如表6所示，并推荐最优的级配组成，建议的油石比范围为4.2%～4.4%。

表6 AC－20C沥青混合料正交试验优化结果表筛孔（mm）26.5 19 16 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.150.075上限100 99 91 80 67 45 24 19 13 10 76下限100 95 83 72 58 33 21 16 10 7 4 3最优100 99 88 78 61 39 23 17 12 8 65 为了检验上述各因素的优化结果，对于表6的优化级配上限、下限和推荐级配按单粒径精确配料的方法进行成型马歇尔试件。

从试验分析结果来看，优化级配上限采用4.4%的油石比时，空隙率偏小；级配下限（油石比4.2%）和推荐级配（油石比4.3%）的体积指标都比较好，但推荐级配更易于压实，压实得到的沥青路面结构密度也更大，车辙试验结果表明推荐级配AC－20C改性沥青混合料的动稳定度＞6 000次／mm。

4 结语
AC－20C改性沥青混合料级配优化试验研究表明：选择关键影响因素采用正交试验方法进行沥青混合料矿料级配和油石比优化研究是一种便捷有效的方法，能通过正交试验的极差分析法和趋势图分析各因素和各水平对各马歇尔指标的影响程度和规律，以便于在沥青混合料配合比设计中根据马歇尔试验结果与规范要求的偏差对相应筛孔通过率或油石比进行合理有效的调整。

此外，通过正交优化试验和分析能获得满足各沥青混合料指标要求的沥青混合料的矿料级配和油石比范围及推荐值，以便为沥青混合料生产过程中对级配和油石比偏差程度的控制提供依据。

参考文献
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［2］肖华宪.AC－25C沥青混合料级配正交优化试验研究［J］.公路工程，2012（04）.
［3］方开泰.均匀设计与均匀设计表［M］.北京：科学出版社，1994.
［4］蒋锦毅.高温多雨潮湿地区沥青混合料级配优化设计及技术性能研究［D］.长安大学硕士学位论文，2011.4.。